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物理学科的能力培养第一节 培养物理观察能力物理观察包括对实验的观察和对自然界的观察，观察是研究物理世界的入门向导，抓不住现象，就不可能深入了解物理规律。可见，观察的目的在于了解现象，取得资料，提出问题。能否达到观察的目的，关键在于提高学生观察能力的水平，具体说来，可包括以下几方面的要求。一、观察要有目的性，并能细心持久地观察并养成观察习惯中学生具有强烈的好奇心，表现为对物理实验的浓厚兴趣，我们应充分利用学生的这种心理，把他们的积极性引导到对实验的观察上来培养他们自觉地有目的、持久、细心地观察。并形成习惯。中学物理教材中安排的学生分组实验、课外小实验以及课堂的演示实验，观察内容是极为丰富的，应该充分利用起来。培养观察能力，一方面要保护学生的好奇心和对实验的兴趣，另一方面要使学生了解观察对学习物理的重要意义。观察能力的培养是培养观察习惯的基础，将课堂的实验观察与生活中物理现象的观察，有意识地经常地结合起来，必将收到良好的效果。二、掌握科学的观察方法观察方法主要有整体观察法即抓住物理现象的全过程，能从整体上把握所观察的物理现象。第二是多维度观察法即从不同角度，不同侧面、不同层次去观察物理现象的主要特征。第三是分析观察法即结合物理现象分析其原因，并变化条件继续观察其结果。例如观察水的沸腾现象时，首先使学生观察沸腾的全过程及沸腾本身的温度变化的特点，其次观察液面压强的变化对沸腾的影响，进而深入观察和分析沸腾的全过程和沸腾过程中水汽泡形成、膨胀，消失以及破裂的全过程，这样才能取得沸腾现象的全部数据和资料，以供分析沸腾的本质特征及其形成的原因。三、能用口语或文字准确地、有条理地描述所观察到的物理现象观察到的结果，必须通过文字或口语来描述，描述的水平能反映观察能力的水平。因此，能用口语或文字描述所观察到的现象，应该属于观察能力的一部分。例如，观察布朗运动后，问学生看到了什么？说法不一，有的说看到分子在运动，有的说看到小虫子在活动等等，这说明学生看到了一些现象并作出了自己的解释，但很少有学生能描述看到的小颗粒和大颗粒运动激烈程度不同，也没有描述颗粒运动的路径的无规则性。从学生的描述中可以看出其观察能力的水平高低。四、善于从观察中提出问题正确地描述观察到的现象，进而从观察中发现问题和提出问题，这是观察的目的任务所决定的。在观察中能发现问题，说明了观察者的观察得细微全面。观察中能发现问题是观察中视觉因素与思维因素结合的产物，因此应该在观察中不断地引导学生思考。一是看到什么，二是为什么出现这种现象。例如沸腾现象中为什么沸腾的前过程中的汽泡始终不能达到液面？为什么只有在沸点时汽泡才能达到液面而破裂？解决了汽泡的形成，上升直至破裂，就为研究沸腾现象提供了实验依据。总之，培养学生有目的和持久的观察习惯，掌握与使用科学的观察方法，正确地描述和善于提出问题，形成观察的兴趣，具有科学的观察态度和养成良好的观察习惯，是物理学科培养观察能力的基本内容。第二节 培养实验操作能力物理学是一门实验科学，物理学中一切概念和规律都必须通过实验才能形成和建立，物理学上的理论假说也必须通过实验来验证。因此，培养学生的实验操作能力是学习物理的基本功。物理实验的操作能力主要指掌握仪器操作，数据的记录和处理，设备的组装、故障的排除等学生实验操作能力，具体说来可包括以下几方面的要求：一、熟练地操作中学物理实验所用的基本仪器中学物理实验的基本仪器，主要是指中学物理中的一些基本物理量的测量仪器，例如力学中的长度、时间、质量的测量仪器、力的测量仪器，即游标卡尺，钟表和打点计时器、天平、弹簧测力器等；热学中的温度计、压强计；电学中的电流表、电压表和万用表等，都是学生必须准确、熟练掌握的基本仪器。中学物理中很多实验大体都是基本仪器的组合使用，因此，对基本仪器的性能，读数，操作方法等都要掌握。二、根据实验目的和任务独立完成实验能否独立地正确地完成实验，是考察学生是否具有实验操作能力的标准。中学生特别是中等或中等以下水平的学生在进行实验过程中依赖性很强，不敢也不愿自己动手，因此，要创造条件和严格要求，使学生亲自动手做实验，要求学生在明确实验目的和原理的基础上，自己设计实验步骤和数据记录表格，自己动手安装和组合仪器，自己根据仪器的精度读取数据，还要指导学生能初步排除简单的实验故障。三、对实验误差进行初步的定性分析对实验测量的结果不可能绝对精确，总会产生误差，产生误差的原因一种是系统误差，一种为偶然误差。对于测量结果，其可信度多大，需要知道测量误差，由于误差是测量值与真实值之差，而真实值是未知的，因此对于测量误差只能是估计，但是由于误差的估计，情况是十分复杂的，有些情况下，主要是系统误差，有些情况下，主要是偶然误差，要对测量结果的误差作出估计，不是一件容易的事，所以在中学，并不要求学生估计误差，但是培养学生根据实验原理和仪器的情况以及实验环境等客观情况，对实验可能出现的系统误差，作出物理的定性分析，是可能的，也是必要的。这对提高学生物理分析能力是有益处的。四、根据有效数字的运算法则，对数据作初步处理中学关于误差和有效数字的教学要求不高并不要求估计测量误差，在处理实验数据和解题时，运算结果一般取两位或三位数就可以了。因此，在中学物理测量中，一般说来，可以要求学生估读到测量仪器最小分量的十分之几。在测量数据处理过程中，培养学生根据有效数字运算法则来进行运算。五、鼓励学生试行设计验证性实验提倡和鼓励中学生根据所学知识进行独创性的实验设计，是十分有益的，但不可能要求很高，可以在教师的提示下进行。例如如何用玩具手枪测定其子弹的出口速度。总之，要引导和鼓励学生开展一些创造性活动，我们应该相信学生中蕴藏着很大的创造潜力及表现自己的创造才华的热情和动力。总之，培养学生掌握基本仪器的使用技能，在教师指导下排除实验中一些简单故障，独立地完成实验操作任务，学会能初步地处理和分析实验误差及实验数据，在教师指导下能初步提出验证物理定律的简单的实验设计，这些都是物理物理学科实验操作能力的培养的基本内容。第三节 培养物理思维能力所谓思维，通俗的说法，是指人们利用头脑中已有的知识经验思考问题的精神活动。思维过程是指运用概念进行判断与推理的过程。所以，我们把培养学生科学的抽象概括能力和科学的推理能力作为培养物理思维能力的主要内容。培养物理思维能力的途径，可从以下几个方面进行。一、引导学生从物理事实出发，进行抽象概括从物理事实出发，建立概念，这是一个抽象概括过程，物理学上所有概念都是这样形成的。例如力的概括就是在大量物体间互相作用的事实的分析基础上形成的，大量的实例如马拉车，车由静止开始运动；磁铁吸铁钉，铁钉由静止开始运动；手压弹簧，弹簧被压缩；大球碰小球，小球由静止开始运动其中所谓“拉”“吸”“压”“碰”都是物体之间的作用方式，这些被作用的物体：车、铁钉、弹簧和小球，或者发生运动状态的改变，或者发生形变。可见，力是一个物体对另一个物体的作用，作用的结果使被作用的物体发生运动状态的改变（即产生加速度）或者发生形变。力的概念就是这样，从大量物理事实基础上，抽象概括而建立的。物理模型也是通过抽象概括而建立的，例如质点是一个具有质量的几何点，因为很多力学问题中物体的大小和形状的影响可以不计，因此，突出物体的质量这个主要因素，忽略物体的大小和形状这些次要因素，经过物理抽象而建立质点模型。质点摸型对力学的研究带来了极大的好处，在质点模型的基础上建立了牛顿力学的体系。由此可见，建立物理模型应该遵循以下原则，即根据所研究的问题的需要和可能，突出研究对象的主要因素，忽略其次要因素，将研究对象理想化，是这建立模型的原则之一。例如理想气体模型的建立，就是突出了气体实验定律中各参量之间关系，而忽略了对这些参量关系的约束条件，认识这些参量之间关系在任何条件下都是适用的，这样就把实际气体抽象为理想气体。好比把物质抽象为质点一样。其次，在模型的基础上，能够建立该领域中的知识体系。如果一个模型不能提供一个知识体系，这个模型就没有生命力，就没有存在的价值。这是建立模型的原则之二。例如理想气体模型的建立，与之相应的建立了气体分子的质点模型，从而形成了气体分子运动论这个知识体系。建立理想化物理模型，是一种物理的思维，或者说是一种物理的思维模式，也是一种物理研究的重要方法，物理学的各部分知识体系几乎都是建立在一些模型的基础之上的。因此，我们应该使中学生初步了解物理模型的意义以及其建立的过程，这是培养物理思维能力重要特征之一。我们应该注意在日常教学中强化这种建立物理模型的思想，使学生在潜移默化中提高利用模型处理物理问题的能力。如图25（a）（b），两个完全相同的物体，都处于平衡状态，在给出的已知条件下，求绳子的张力。首先必须明确所研究的对象属于哪一类物理模型，否则就很难解决。图（a）中球可视为质点模型，因此，用共点力平衡条件就可以处理；而在图（b）中应把球视为刚体模型。因此，必须用力矩平衡条件来求解。可见，同一个物体在不同条件下可以属于不同类型，这一点是不应忽视的。二、从已知推向未知获取新知由已知推导未知，由实验事实经过推理总结出规律，是培养物理思维能力的重要方面。在推导或总结过程中，要注意物理依据的可靠性，推理的严密性，才能使推导建立在科学的基础上。在中学物理教材中，这种由已知推导未知，由实验事实总结规律的教材是十分丰富的，我们应该充分利用这些内容。万有引力定律的推导，第一步就是利用学生已知的知识，即向心力公式Fmw2r，开普勒定律，r3kT2和牛顿第三定律，推导出太阳与行星之间的引力规律：即 。第二步可以假设地球与月球之间引力及地球与地面上物体之间引力是本质一样的力，且符合平方反比规律。利用这个假设可算出月球的向心加速度。cm/s2，同时从运动学角度也能直接计算出月球的向心加速度a0.27 cm/s2，这就证明了太阳与行星之间，地球月球之间，地球物体之间的引力是遵从同一个规律的，最后将平方反比定律推论到所有物体之间都存在着这种引力。英国科学家卡文迪许对G值的测定，证明了自然界所有物体之间都存在这种引力。上述推导过程不但加深了学生对知识的理解和提高综合运用知识的能力，而且使学生，懂得了推理的科学方法，即由一般到特殊是一种演绎推理，由特殊到一般是一种归纳推理，总之，处理好知识之间新与旧的关系，以“旧”到“新”，利用“新”来巩固和深化“旧”，不但有利于学生理解知识，而且有利于培养学生逻辑推理能力，因此，从已知推向未知从而获得新知是培养思维能力的重要方法和途径。三、教给学生运用已知处理问题的思路和方法常听学生反映，物理课一听就懂，一做题就错，出现这种现象是很多因素造成的。主要原因有两个：一是对知识本身的理解问题，一是思维方法问题，学生常常不是瞎碰，就是乱套公式。因此，引导学生总结正确的解题思路，是培养思维能力的一个方面。例如牛顿第二定律公式Fma，其中m是研究对象，F是研究对象周围物体对它的作用力的合力，a是研究对象的加速度。所以利用牛顿第二定律解题时，第一步必须明确研究对象，将研究对象从周围物体中隔离出来，形成隔离体。第二步是分析研究对象的受力情况，第三步分析研究对象的运动状况，第四步列出解题方程式。这个解题步骤和思路，是根据牛顿第二定律提出来的，可见，从已知知识引出解题思路引出方法，提高运用知识解决问题的能力，这是一种培养思维能力的途径，在教学中应予高度重视。四、指导学生总结归纳知识并形成体系在教师指导下，使学生学会把自己所学的知识由点到面组织成有体系的知识，这是一种总结概括能力，是培养思维能力的重要方面，同时也有利于学生从整体上来把握知识，这是学生综合运用知识的基础，也是学生记忆和理解知识的重要过程和环节。在平时的学习过程中，学生头脑中常常是一个一个孤立的概念和物理量，一个一个孤立的定律和定理，不能形成体系，不能从整体上把握知识，因而很难综合运用知识去解决实际问题。因此必须指导学生及时总结整理所学知识掌握知识的内在联系使自己头脑中的知识成为有体系的知识。例如稳定电流这一章，我们可以引导学生抓住欧姆定律这个中心，来整理这一章的基础知识，包括的基本概念有电流、电压、电阻和电动势，基础知识是如何用欧姆定律进行电路分析电路中电压变化、电路结构，能量转化这样电路中的各个知识点便组织成了一个知识网络。总之，物理现象的抽象概括；从已知到未知的科学推理；分析解决问题的思路和方法；以及及时总结归纳已学知识，都是培养物理思维能力的基本方法。第四节 正确理解、掌握物理概念和规律的能力正确理解和掌握物理概念及物理规律是学好物理的关键，也是学生应用物理知识分析问题和解决问题的基础。因此，提高学生学习物理的能力，是能力目标的重要内容。具体地说有以下几方面的能力要求。一、在分析物理过程或分析物理实验的基础上去理解物理概念和物理定律任何一个物理概念的形成，总是建立在物理过程的分析的基础上的，任何一个物理定律总是有它的实验基础或推导的依据，这是理解和掌握物理知识的根本。尤其是一些比较抽象的概念，更需要使学生了解其形成的具体的物理过程，例如，电压概念的形成，它是在研究电场力做功特点、电势能的意义、电势概念等一系列知识的基础上才能形成。又如，电动势的概念的建立，必须分析电源内部能量转化过程中非静电力做功特点，以及内外电路电压之和为不变量的实验分析的基础上，才能较深刻地理解电动势概念的物理意义，然后进一步理解电动势在电路中在引起电势变化方面的作用。又如电场强度概念，是建立在电场力与检验电荷的电量成正比的实验事实的基础上的，等等。总之，使学生懂得善于研究建立概念的物理过程和物理事实，是学会学习物理的重要能力。物理定律是在研究不同物理量之间的相互关系中建立的，每个物理定律都有其基础或推导依据，例如，牛顿第二定律是在研究加速度跟力和质量的关系的实验中总结出来的；牛顿第三定律是研究作用力与反作用力之间的关系，也是通过实验事实的概括而得出的；牛顿第一定律则是在物理实验的基础上经过科学推理而获得；万有引力定律是在所观察到的天文现象的基础上，运用科学的推论方法而发现的。总之，使学生懂得分析定律建立的实验事实或推导依据，也是学会学习物理的重要能力。二、从物理量的定义式去理解物理概念的实质物理概念的量化，形成物理量，而物理量有严格的定义，表述定义的数学公式叫做定义式。物理量的定义式反映了一个物理概念的质和量两个方面的内容，概念的质是指概念所反映的物理现象的本质属性，概念的量是指概念的数值意义。如果物理量是矢量，从定义式中还可以看出它的方向意义。例如电场强度这个物理量的质，是说明场强表述了电场中某点的力特性的物理量，是反映电场本身属性的的物理量，用单位正电荷受到的电场力的大小和方向来表示电场中某点的力特性，所以，握了场强概念的全部物理意义。抓住了物理学各部分知识的物理量的定义式，就能很好地理解各部分知识的物理概念。因此，引导学生从物理量的定义式去理解物理概念，是对学生学会物理的一种能力培养。三、从物理量之间的相互关系去理解物理概念掌握物理规律，并通过区分易混淆的物理概念去加深理解物理概念的量化形成了物理量，各个有关联的物理量之间的定量关系形成了物理定律、物理定理或原理。从定义式出发，可以正确理解物理概念，如果进一步从概念之间的关联上理解概念，就可以理解得更深刻。加速度的意义，而产生加速度的原因是什么？加速度与哪些因素有关？这些问题从定义式是无法得到解答的。只有牛顿第二律能够回答这些问了加速度与力和质量之间的关系。从公式可知，力是产生加速度的原因，也就是说力和加速度之间存在着即时的直接的因果关系，同时也可以看出质量对加速度的影响，质量不但对加速度大小有影响，而且对加速度与力之间的因果关系也有影响。由此可知，牛顿第二定律不但使我们对加速度概念的理解深化了，而且对力和质量这两个概念的理解也深化了。同理，我们只有从能量与动量之间的关系中才能深刻理解冲量与动量概念，只有从功与能之间的关系中才能深刻理解功与能的概念。总之，把握住各物理量之间的关系的定律或定理，对于加深物理概念的理解是十分重要的。因此，引导学生从物理量之间的关系去理解物理概念和物理定律，是培养学生学会学习物理的能力的重要内容。有些物理概念，由于种种原因容易使人们产生混淆，这也造成了学习物理的困难。然而，将这些混淆的问题区分清楚了，则对正确而又深刻理解物理概念会带来了极大好处。如电压与电动势，电功率等等，这些混淆不清的问题，在物理学中到处可见。我们应通过区分这些易混淆的问题来加深对物理概念的理解，因此，引导学生学会在分析这些容易混淆不清的问题中来理解和掌握物理概念和物理定律，也是一种学会学好物理的一种能力要求。四、从阅读课文和课外读物过程中提高理解物理概念和规律的能力自学能力是学生终生有用的能力。自能力的内容是丰富的，它至少包括以下这些方面：学习目标的确定，完成学习内容的方法，学习效果的自我评估以及善于吸收别人的经验等等，而学会阅读课文和课外读物则是培养自学能力的起点，也就是说学会读书是培养自学能力的基础。物理教材是一种自然科学的论述文章，应该学会分析课文的逻辑结构，课文是怎样在叙述物理现象或物理实验，以及分析物理过程的基础上，得出相应的科学结论的，是怎样表达一个概念的定义的，又如何运用实例来论述这个定义的内涵的，还应该教会学生从物理意义上来分析定律条文。例如，本书第二章已经提到的楞次定律的内容中，“感生电流的磁场”表示了一种物理现象，“引起感生电流的磁通量的变化”表明了另一种物理现象，这二者的关系，是前者阻碍后者，而不是“阻止”，而感生电流方向正是由这种关系来决定的。应该培养学生用自己的理解和语言或文字来表述物理上种种概念和定律的内容。这样，才能把课文真正读懂才能培养真正的学会读书的自学能力。第五节运用数学工具知识解决物理问题的能力物理学中有大量的概念和定律是用数学式来表达和定量的，所以要学好物理离不开数学知识的运用。因此，教学中必须有意识培养学生运用数学知识来分析和解决物理问题，具体作法大体包括以下几个方面。一、正确理解物理中数学表达式的物理意义物理公式大体可分为三类：一类是物理量的定义式，一类是物理量的决定式，这类公式一般是根据实验或推导得出的物理定律或定理，一类是物理量之间的关系式。不管哪一类物理公式，都应注意它是抽象的数学公式在应用中的具体化，也就是说物理公式都有其具体内容与物理意义。而数学公式大都是抽掉了具体内容的数量关系，因此，必须强调从从物理意义上来理解和掌握物理公式。例如静电学中场强的定义式为E电荷，E总是存在的，因此，E跟F和q之间不存在函数关系，不能说意义上可理解为电场力的决定式，同一电荷在电场中不同点，由于E不同，F就不同；在电场中同一点而电荷的电量q不同，则F也就不同。可见，FEq公式中E和q都可以作为自变量出现，而F就是因变量了。为q的大小并不因F与E的变化而变化，q的改变只能是通过外界条件生中常常出现乱套公式的现象，究其原因就是对物理公式没有注意从物理意义上来把握公式。因此，指导学生正确理解公式的物理意义，来培养学生运用数学知识来分析和解决问题非常重要。二、会用数学形式表述物理概念和物理规律科学认识的一般过程，往往是在开始阶段只是对事物进行定性的描述和研究，然而只有进行精确的定量的研究才能更深入地认识事物的本质。任何一门学科只有在能引进数学方法时，才算达到完善的地步。物理概念从定性研究进入定量的描述，从而确定了物理量，各有关联的物理量之间从定性关系的分析，进入到定量的表述而形成了物理定律。而中学物理学定量化的基础，主要是用初等数学方法。教会学生运用数学知识解决物理问题，首先是教会学生用数学方法来表述概念和规律。在中学物理学中，主要是用公式法和图象法来表述概念和规律的，例如物理的定义，总是根据实验的分析，建立定义公式。其中一些描述状态的等。其中一些描述过程的物理量，常常是根据该量的有关因素来定义的，如功的定义式为WFScosa，冲量的定义式为IFt。它们是根据力对时间或空间的累积效果的相关因素来定义的。反映物理量之间关系的物理定律，多数是通过实验的研究，确定该量的决定条件，然后用数学方法建立该量的决定式。例如库仑定律的公式，是问题的处理。一般地说，比例系数的值，必须通过实验进行测定，而且其值与所取的单位制有关。不过其中有的比例系数不具有物理意义，也就是它不反映某种物理特性，而有的比例系数是具有物理意义的，也就是说它能表明某种物理特性（如电阻定律中的，它表明组成导体的材料的电阻特性）。利用图象表达物理规律也是常用的数学方法。在物理教学中，应该做到一方面使学生会根据表述规律的方程作出函数图象，另一方面能利用函数图象了解物理意义，就是说既能作出函数图象又能从图象了解其物理意义。例如，根据气体的玻马定律方程PV恒量，可画出一定质量的气体的PV图象为一双曲线（如图26），曲线上的任一点代表气体的一定状态，曲线表示气体的变化过程，如图26所示从A点到B点，表明气体的温度不变，压强减小，体积增大，但P1V1和P2V2总是相等，而且AV1V2B这一面积的值可以证明恰好等于气体对外界做功的值。总之，教会学生能利用公式法和图象法来表述物理概念和规律，是培养学生利用数学方法解决物理问题的内容之一。三、引导学生用所学的数学知识对物理问题进行分析、运算和推导对物理问题的分析，对物理结果的推导，都离不开数学运算问题。而数学运算能力，表现在运算的准确性、技巧性和运算速度上。因此，培养学生的数学运算能力，应该在准确、技巧和速度上下功夫。当然，物理问题的运算是不能脱离物理意义的分析，特别是对一些运算结果的结论，要着眼于物理意义上的分析。例如向心加速度的公式的推导，由于矢量运算在中学不作要求，所以推导向心加速度公式就要采取一种避开矢量运算的方法，我们可以采取运动分解方法来处理，如图27所示，作匀速圆周运动的质点从A点沿AB圆弧运动到B点，可视为质点从A运动到